Защита от токов утечки в комбинированных распределительных сетях угольных шахт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Защита от токов утечки в комбинированных распределительных сетях угольных шахт

В.Н. Савицкий, Н.И. Стадник



Рассмотрены вопросы обеспечения защиты человека от поражения электрическим током в распределительных сетях угольных шахт, содержащих полупроводниковые преобразователи частоты (комбинированные сети). Предложены принцип обеспечения защиты в комбинированных сетях, методика определения тока утечки с учетом высокочастотных составляющих, обусловленных работой преобразователя. Описана работа системы защиты с аппаратом АЗУР-4ПП, реализующим предложенные принципы. полупроводниковых преобразователь частота сеть

Постановка проблемы

Очевидные преимущества регулируемых электроприводов на базе силовых полупроводниковых приборов (тиристоров и транзисторных модулей), которые нашли широчайшее применение в общепромышленных сетях, неоднократно пытались использовать для управления шахтными машинами и механизмами. Однако, только в последние годы началось их практическое применение в угольных шахтах Украины, что обусловлено возросшими требованиями к горным машинам, уровнем развития угольного машиностроения в целом.

В настоящее время на шахтах Украины проводится внедрение новых высокопроизводительных механизированных комплексов на базе комбайнов УКД-300, КДК-500 и КДК-700, питающихся напряжением 1140 В, в состав которых входят взрывозащищенные полупроводниковые преобразователи частоты для привода подачи комбайнов. Для пуска шахтных ленточных конвейеров также широко применяются устройства плавного пуска на базе тиристорных регуляторов напряжения.

Внедрение регулируемых приводов в угольном машиностроении сопровождается как технически сложными вопросами обеспечения взрывобезопасности и надежности эксплуатации силовых полупроводниковых приборов в сложных условиях угольных шахт, так и не простыми вопросами обеспечения электробезопасности их эксплуатации. Связано это с тем, что при введении силовых полупроводниковых приборов обычная распределительная сеть становится комбинированной, т.е. содержит дополнительно участок сети постоянного тока и участок сети с регулируемой частотой от 0 до 100 Гц и более. Каждый из этих участков определяет особенности эксплуатации и наличие различных требований по обеспечению электробезопасности, причем, учитывая, что участки находятся в одной сети необходимо комплексное решение проблемы защиты от аварийных режимов и, в частности, защиты человека от поражения электрическим током.

При этом вопросы электробезопасности эксплуатации такого оборудования традиционным путем решить невозможно [1,3].

Обусловлено это целым рядом причин, при которых возможно возникновение аварийных ситуаций в распределительной сети, когда реле утечки не может обеспечить защиту от поражения людей электрическим током.

К основным причинам, препятствующим безопасной эксплуатации комбинированных электрических сетей, относятся следующие:

· существующие реле утечки, принцип действия которых основан на наложении постоянного измерительного тока на контролируемую сеть, могут быть заблокированы при возникновении утечек или плавном снижении сопротивления изоляции в звене постоянного тока силовых полупроводниковых установок;

· применение новых кабелей с шестью силовыми жилами типа КГЭШВ, КГЭШР, КГЭБУШВ привело к существенному увеличению емкости сети в целом и отдельных ответвлений в частности (ориентировочно в полтора раза), что привело к значительному увеличению токов утечек, а соответственно к повышению тяжести возможных аварий;

· наличие в частотном преобразователе звена постоянного тока не позволяет выявить поврежденную фазу после преобразователя и произвести ее защитное шунтирование;

· управляемые полупроводниковые приборы в силовой сети, преобразующие ток основной частоты 50 Гц в токи частотой от 0 до 100 Гц и более, являются источником помех, переходные процессы, сопровождающие ток утечки на землю, имеют сложный характер, их описание затруднено;

· после отключения электродвигателей возникает длительно действующая ЭДС выбега, причем в двигателе подачи после преобразователя частоты ЭДС выбега имеет форму и частоту, отличающиеся от основной частоты.

Цель статьи

Определение качественных и количественных характеристик переходных процессов токов утечки в комбинированных сетях, учитывающих влияние участков сети основной гармоники 50 Гц, участка сети регулируемой частоты и высокочастотных составляющих, обусловленных работой преобразователя частоты, а также решение проблемы защиты от токов утечек на землю таких сетей.

Результаты исследований

Как известно в Украине и странах СНГ в распределительных сетях угольных шахт требуется обязательное применение аппаратов защиты от утечек тока на землю типа АЗУР-1 и АЗУР-4 при напряжении 660 и 1140 В соответственно. Принцип действия заключается в наложении на сеть оперативного постоянного тока и контроле его величины при одновременной компенсации емкостной составляющей тока утечки, а также защитному шунтированию поврежденной фазы. Указанные аппараты предназначены только для защиты трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью, требования к которым изложены в ГОСТ 22979-78 “Аппараты рудничные защиты от утечек тока на землю в распределительных сетях напряжением до 1200 В”. Указанный ГОСТ не распространяется на комбинированные распределительные сети, содержащие звенья постоянного тока, а следовательно и применение аппаратов серии АЗУР без дополнительных мероприятий в таких сетях неправомочно. Это было известно еще в 80-х годах прошлого века, когда предпринимались попытки внедрения в шахты комбайнов с регулируемой подачей на постоянном токе [2].

Обусловлено это тем, что при возникновении утечки или при плавном снижении сопротивления изоляции в звене постоянного тока между сетью и землей возникает второй источник постоянного напряжения, величина которого может оказаться значительно выше источника оперативного тока аппарата защиты Iоп, как это показано на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема включения аппарата защиты от утечек тока на землю в сети, содержащей звено постоянного тока ФП - фильтр присоединения к сети реле утечки; УВПФ - устройство выбора и шунтирования поврежденной фазы; ПЧ - преобразователь частоты; ЭД - асинхронный электродвигатель; I_оп - оперативный ток аппарата защиты; I_у - ток утечки в звене постоянного тока; R_ут1, R_ут2 - сопротивление утечки в распределительной сети и в звене постоянного тока, R_ш - шунтирующее сопротивление.

При этом ток I _у превышает ток I _оп и блокирует измерительный орган реле утечки, причем это может проявляться в работе длительное время, а возникшая утечка в сети не будет выявлена и отключена аппаратом защиты. Значительно более тяжелые последствия возникают в распределительных сетях напряжением 1140 В, где в целях ограничения величины тока утечки применяются устройства выбора поврежденной фазы и шунтирование ее через малое сопротивление на землю. Применение данного способа в комбинированных сетях невозможно из-за наличия звена постоянного тока в преобразователе частоты. В то же время по совпадающим признакам в начальный момент возникновения утечки устройство выбора поврежденной фазы определяет одну из фаз и дает команду на ее шунтирование. Это приводит к тому, что протекающий через шунтирующий резистор ток будет подпитывать место аварии и тем самым усугубит степень тяжести аварии.

Эти выводы подтверждаются проведенными испытаниями в реальной сети, питание которой осуществлялось от трансформаторной подстанции КТПВ-630/6-1.2, содержащей кабели типа КГЭБУШВ 3х50+3х35 и преобразователь частоты. Защита сети осуществлялась при помощи серийного аппарата защиты типа АЗУР-4.

Результаты испытаний приведены в таблице 1, из которой видно, что кратковременный ток существенно превышает допустимое значение даже при малых емкостях сети.

Таблица 1
Емкость сети, мкФ на фазу	Кратковременный ток утечки, мА, при частоте преобразователя, Гц
до преобразователя	после преобразователя	0	20	50
0,1	0	85	65	55
0,2	0	75	70	65
0,1	0,1	450	330	300
0,2	0,1	370	260	200
0	0,2	800	570	320
0,1	0,2	620	440	300
0,2	0,2	510	380	300

Обеспечение защиты в этом случае, согласно рекомендациям института МакНИИ, должно быть достигнуто за счет следующих организационно-технических мероприятий:

· длина кабеля электроснабжения от трансформаторной подстанции до потребителя с частотным преобразователем должна быть не более 700 м, с учетом того, чтобы емкость его не превышала 0,5мкФ на фазу;

· система электроснабжения и управления должна быть построена так, чтобы потребитель запитывался от отдельной трансформаторной подстанции; в случае питания от этой подстанции других потребителей, их подключают к разделительному трансформатору с установкой отдельного аппарата защиты от утечек на землю;

· перед началом каждой смены следует производить проверку срабатывания аппарата защиты кнопкой “Проверка” при включенных двигателях подачи;

· в процессе работы необходимо периодически (не менее 3-х раз в смену) проверять показания килоомметра для оценки состояния изоляции питающего кабеля, а также оценивать техническое состояние электрической части по контролируемым параметрам системы управления;

· для электроснабжения потребителя следует применять гибкие бронированные кабели, обладающие повышенной механической прочностью и электрической прочностью изоляции;

· в начале смены необходимо проводить визуальную проверку состояния электрооборудования и кабелей.

Схема электроснабжения для данного случая приведена на рисунке 2.



Рисунок 2 - Схема электроснабжения угольного комбайна с регулируемой подачей (электродвигатели резания ЭДР1, ЭДР2 и подачи ЭДП1, ЭДП2) и других механизмов (электродвигатель ЭД): КТПВ1, КТПВ2 - трансформаторные подстанции мощностью 1000 или 630 кВА; РУ - реле утечки; АВ1, АВ2 - автоматические выключатели; ПВ1...ПВ3 - пускатели; С₁, С₂, С₃ - емкость соответствующих участков сети.

Сложность проблемы состояла еще и в том, что внедрение силовых частотных преобразователей в сети 1140 В началось с одновременным применением новых кабелей типа КГЭБУШВ, КГЭШВ, КГЭШР, имеющих шесть силовых жил.

Причем, при длине кабеля 550 м, его емкость составляет 0,28 мкФ на фазу и 0,24 мкФ на фазу для жил 70 и 35 мм² соответственно. Эти величины превышают допустимые ГОСТ 22929 параметры одиночных ответвлений, которые должны быть не выше 0,15 мкФ на фазу и являются исходными для проектирования и испытаний аппаратов защиты от утечек для комбинированных сетей.

Сравнительные данные емкостей кабелей приведены в таблице 2.

Таблица 2
Тип кабеля	Емкость фазы, мкФ
КГЭБУШВ 3х70+3х35	0,52
КГЭШ 3х35	0,24

Из приведенных данных следует, что кабели типа КГЭБУШВ обладают значительно большей емкостью, что необходимо обязательно учитывать при проектировании схем электроснабжения и их защиты.

Следует отметить, что внедрение частотных преобразователей в угольные шахты Украины в последнее время шло с опережением разработки средств от утечек тока на землю, а вопросы безопасности решались по ходу внедрения в шахтных условиях. Причем были предприняты попытки применить серийные аппараты типа АЗУР-1 или АЗУР-4, которые завершились неудачно и лишь вынужденная ситуация заставила решать эту проблему целенаправленно.

Решение проблемы защиты оказалось достаточно сложным, так как ранее проведенные исследования и теоретические разработки базировались на упрощении ряда факторов [1,4] и отсутствии подтверждающих экспериментальных исследований из-за невозможности их проведения в реальных условиях и несовершенства испытательной базы. Поэтому полученные ранее результаты представляют интерес с точки зрения приближенного познания процессов, но не могут быть использованы в качестве исходных данных для проектирования систем защиты. Одним из главных упрощений при расчете комбинированных сетей было допущение о том, что в сети протекают переходные процессы, обусловленные наличием только источника напряжения частотой 50 Гц.

В тоже время экспериментальные исследования, проведенные на натурной сети, смонтированной в условиях Горловского машзавода (ЗАО “Горловский машиностроитель”) показали, что во всех случаях однофазных утечек на землю определяющую роль в характере протекания переходных процессов играют высшие гармоники, обусловленные широтно-импульсной модуляцией преобразователя частоты, характерные осциллограммы которых приведены на рисунке 3.



Рисунок 3 - Характерные осциллограммы тока утечки в распределительной сети напряжением 1140 В а) f=0Гц (C₁=0,2 C₂=0,2); б) f=20Гц C₁=0,5; C₂=0,2); в) f=50Гц (C₁=0,7 C₂=0,2); г) f=70Гц C₁=0,2; C₂=0,2)

Поэтому представляет интерес рассмотрение и расчет переходных процессов при утечках тока на землю в различных участках комбинированной сети.

Расчетная схема комбинированной сети для комбайна УКД-300 с вынесенным на штрек преобразователем ПЧЭШ-60 приведена на рисунке 4. Данная трехфазная расчетная схема в соответствии с [5] может быть преобразована в однолинейную, общий вид которой приведен на рисунке 5.



Рисунок 4 - Расчетная схема комбинированной сети напряжением 1140 В ПЧ - преобразователь частоты; В - выпрямитель; И - инвертор; ЭДР1, ЭДР2 - двигатели резания; ЭДП1, ЭДП2 - двигатели подачи; С₁ - суммарная емкость ответвлений схемы электроснабжения участка сети; С₂ - емкость ответвления кабеля, питающего электродвигатели резания; С₃ - емкость кабеля, питающего электродвигатели подачи комбайна; С₄ - емкость звена постоянного тока; L₁ - индуктивность входного дросселя; L₂ - индуктивность выходного дросселя

Рисунок 5 - Однолинейная схема замещения расчетной сети e₁(t) - напряжение смещения нейтрали сети основной гармоники при утечке тока на землю; e₂(t) - напряжение смещения нейтрали сети изменяющейся и высокочастотной составляющих, обусловленных работой ШИМ при утечке тока на землю; L'_э, R'_э, C'_э - эквивалентные индуктивность, активное сопротивление и емкость кабелей участков сети частотой 50 Гц; L''_э, R''_э, C''_э - эквивалентные индуктивность, активное сопротивление и емкость отрезка кабеля после преобразователя частоты.

Из приведенной схемы следует, что при возникновении тока утечки в любой точке сети он протекает под действием напряжения смещения нейтрали, формируемого напряжением основной гармоники 50 Гц, напряжением изменяющейся частоты от 0 до 100 Гц и напряжением высокочастотных составляющих, обусловленных работой преобразователя частоты. Анализ схемы и алгоритма работы преобразователя показывает, что напряжения e₁(t) и e₂(t) являются аддитивными, а следовательно напряжение смещения нейтрали, под действием которого протекает ток утечки на землю, можно представить в виде: u_N(t)= u'_N(t)+ u''_N(t)+ u'''_N(t), (1) где u_N(t) - напряжение смещения нейтрали сети; u'_N(t) - составляющая напряжения смещения нейтрали сети основной гармоники 50 Гц; u''_N(t) - составляющая напряжения смещения нейтрали сети переменной частоты 0..100 Гц; u'''_N(t) - составляющая напряжения смещения нейтрали сети высших гармоник.

Частота дискретизации ШИМ в применяемых частотных преобразователях составляет 2500 Гц, при этом, емкостные и индуктивные сопротивления кабельной сети изменяются в десятки раз по сравнению с частотой 50 Гц, следовательно, индуктивным сопротивлением кабелей при расчетах токов утечек в комбинированных сетях пренебрегать нельзя.

Для определения характера протекания процесса, его качественных и количественных характеристик целесообразно рассмотреть алгоритм работы преобразователя частоты, блочно-структурная схема и диаграмма напряжений которого приведены на рисунке 6.

Как показывают дальнейшие расчеты, высокочастотная составляющая напряжения смещения нейтрали сети по амплитуде является определяющей в токе утечки на землю, однако это напряжение не является однозначным, так как оно определяется алгоритмом работы преобразователя частоты, основная суть которого заключается в следующем.

Рисунок 6 - Блочно-структурная схема преобразователя частоты ПЧЭШ-60 и диаграммы напряжений

При включении управляющего контактора напряжение сети подается на активный выпрямитель 1, питающий звено постоянного тока 2 и инвертор напряжения 3 с выходным дросселем 4. Выпрямитель подает напряжение на конденсаторы звена постоянного тока, предварительно заряженные от вспомогательного источника, после чего идет процесс формирования выходного напряжения заданной частоты при помощи инвертора напряжения путем поочередного открывания управляемых модулей короткими импульсами частотой 2500 Гц.

Принцип использования ШИМ для регулирования выходного напряжения трёхфазного инвертора напряжения состоит в том, что верхний и нижний ключи каждого из плеч находятся в противоположном состоянии и переключаются с частотой модуляции, как это представлено на эквивалентной схеме замещения (рисунок 7).



Рисунок 7 - Эквивалентная схема трёхфазного инвертора напряжения К1-К6 - схематическое изображение полупроводниковых ключей; С - емкость звена постоянного тока инвертора; Z_a - Z_c - сопротивления соответствующих фаз отходящей линии.

Время включения ключей определяется сравнением модулирующего напряжения u_тр (t) с напряжением задания u_зад (t).

Так как на выходе трёхфазного инвертора формируется симметричная трёхфазная система напряжений, необходимы три одинаково заданные напряжения со сдвигом на одну треть периода выходной частоты (2р / 3): u_задA (t), u_задB (t), u_задC (t). Диаграммы, иллюстрирующие принцип реализации ШИМ показаны на рисунке 8.

Выходное напряжение инвертора: u_вых (t)=U·F(t), (2) где U - напряжение источника питания; F(t) - функция, определяемая законом управления силовыми ключами инвертора.

Трёхфазная система напряжений задания: u_задA=м·sin(2рtѓ_вых/ѓ_к), (3) u_задВ=м·sin(2рtѓ_вых/ѓ_к-2р/3), (4) u_задC=м·sin(2рtѓ_вых/ѓ_к-4р/3), (5) где м - коэффициент модуляции; ѓ_вых - частота выходного напряжения; ѓ_к - частота модуляции.

Модулирующее напряжение: u_ТР(t)=-2·arcsin[sin(t-р/2)]/р. (6)



Рисунок 8 - Принцип реализации синусоидальной ШИМ трёхфазного преобразователя частоты t_K1и t_К3 - время включеного состояния ключей К₁ и К₃; u_AN(1), u_BN(1), u_AB(1) - величины напряжений соответствующих фаз сети.

Прямоугольные импульсы сглаживаются выходным LC-фильтром, в результате чего формируется выходное напряжение синусоидальной формы с наложенными высокочастотными гармониками, величина и уровень которых зависят от заданной частоты и составляют до 12 %, которые и принимаются в качестве базовой для расчета токов замыкания на землю. Причем как следует из рисунка 8, с уменьшением частоты ширина выходных импульсов увеличивается, а, следовательно, уровень высокочастотной составляющей снижается.

Напряжения u_AN, u_BN вместе с переменной составляющей содержат и постоянную составляющую U / 2.

Линейное напряжение на выходе трёхфазного инвертора напряжения u_AВ = u_AN - u_BN. Его основная гармоника определяется разницей основных гармоник соответствующих напряжений, амплитуды которых U_m(1)=м·(U/1).

Поскольку напряжения образуют симметричную трёхфазную систему, значение амплитуды основной гармоники линейного напряжения: (U/1)U_ЛМ(1)=м·((U/2)·?3) (м?1 - в пределах изменения коэффициента модуляции).

Действующее значение линейного выходного напряжения: U_Л(1)=м·[(U/2)·(?3/?2)] =м·0,606·U. (7)

На рисунке 9 показан спектр выходного напряжения (в относительных единицах) трёхфазного инвертора.

Напряжение точки А относительно нейтрали N u_A(t) при условии, что u_тр(t)<u_задA(t) равно +U и 0, когда u_тр(t) > u_задA(t), аналогично для фаз В и С.

Рисунок 9 - Спектр выходного напряжения инвертора в относительных единицах при м=0.9, и коэффициенте модуляции по частоте m_f=15

Гармонический состав напряжения смещения нейтрали [6] определяется при разложении в ряд Фурье: u_N(t)=U_m1sin(щt+ц₁)+U_m3sin(3щt+ц₃)+...+U_mnsin(nщt+ц_n), где u_N(t) - мгновенное значение напряжения смещения нейтрали сети; u_mn - амплитуда n-й гармоники; щ - частота основной гармоники выходного напряжения инвертора; ц_n - угол сдвига фаз для n-й гармоники.

Коэффициенты Фурье для n-й гармоники: Aⁿ={?_n[u_вых·cos(nр/m_f)]}/(2рm_f/Дt), (8) Bⁿ={?_n[u_вых·sin(nр/m_f)]}/(2рm_f/Дt), (9) Cⁿ=v(A²_n+B²_n), (10) где Дt - интервал дискретизации.

Как видно из рисунка 9, напряжение на выходе трёхфазного инвертора содержит нечётные гармоники, причём величины их амплитуд достаточно велики. Поэтому трёхфазный инвертор необходимо представить в виде трёхфазной системы последовательно соединённых источников синусоидальных напряжений.

Мгновенное значение тока однофазной утечки на участке сети с неизменной частотой 50 Гц (сопротивления полюсов участка постоянного тока преобразователя относительно земли одинаковы) равно сумме мгновенных значений токов, обусловленных отдельными гармониками: i_у(t)=i_у(1)(t)+i_у(3)(t)+...+i_у(n)(t), (11) где i_у(n)(t)=u_вых(n)(t)·v[(x²_cn^-2+R²)/(x²_cn^-2(R_y+R)²+R²_yR²)], x_c, x_R - соответственно емкостное и активное сопротивление сети; R_y - сопротивление утечки.

Обозначив: Y_n=v[(x²_cn^-2+R²)/(x²_cn^-2(R_y+R)²+R²_yR²)] получим i_y(t)=U_m1Y₁sin(щt+ц₁)+U_m3Y₃sin(3щt+ц₃)+...+U_mnY_nsin(nщt+ц_n). (12)

Действующее значение тока однофазной утечки на участке сети с неизменной частотой с учётом высших гармоник: I_y=v(U²₁Y²₁+U²₃Y²₃+...+U²_nY²_n). (13)

В случае, когда сопротивления полюсов участка постоянного тока инвертора относительно земли не равны, в выходном напряжении инвертора и токе утечки появляется постоянная составляющая.

Мгновенное значение тока утечки на участке сети с неизменной частотой (сопротивления полюсов не равны): i_y(n)'(t)=u_N(n)(t)·v{[(x²_cn^-2+R²)/(x²_cn^-2(R_y+R)²+R²_yR²)]+[1,17²/(r+R_y)²]}, (14) r - сопротивление утечки звена постоянного тока; 1,17 - коэффициент выпрямленного напряжения схемы (u =1,17u_ф).

Обозначив Y'_n=v{[(x²_cn^-2+R²)/(x²_cn^-2(R_y+R)²+R²_yR²)]+[1,17²/(r+R_y)²]} получим i_y'(t)=U_m1Y'₁sin(щt+ц₁)+U_m3Y'₃sin(3щt+ц₃)+...+U_mnY'_nsin(nщt+ц_n). (15)

Действующее значение тока однофазной утечки на участке сети с неизменной частотой (сопротивления полюсов не равны): I'_y=v(U²₁Y'²₁+U²₃Y'²₃+...+U²_nY'²_n). (16)

Действующее значение фазного напряжения с учётом высших гармоник: U_ф=v(U²₁+U²₃+...+U²_n). (17)

Действующее значение тока однофазной утечки на участке постоянного тока: I_y=U_ф{[1,17r/(RR_y+R_yr+rR)]+[2,32/(R_y+r)]}, где 2,32 - коэффициент выпрямленного напряжения шестикратного выпрямителя инвертора (u=2,32u_ф)

Мгновенное значение тока однофазной утечки на участке сети с изменяющейся частотой: i''_y(n)'(t)=u_N(n)(t)·v{[(x²_cn^-2+r²)/(x²_cn^-2(R_y+r)²+R²_yr²)]+[2,32/(r+R_y)]}.

Обозначив Y''_n=v{[(x²_cn^-2+r²)/(x²_cn^-2(R_y+r)²+R²_yr²)]+[2,32/(r+R_y)]}, получим i_y''(t)=U_m1Y''₁sin(щt+ц₁)+U_m3Y''₃sin(3щt+ц₃)+...+U_mnY''_nsin(nщt+ц_n). (18)

Действующее значение тока однофазной утечки на участке сети с изменяющейся частотой: I_y=v(U²₁Y''²₁+U²₃Y''²₃+...+U²_nY''²_n). (19)

Подставляя параметры реальной сети по приведенным формулам (17-19) можно вычислить значение тока однофазной утечки 1 кОм на участках сети (таблица 2).

Нетрудно убедиться, что относительный уровень гармоник обратно пропорциональный частоте выходного напряжения и имеет максимальное значение при частоте выходного напряжения, близкой к нулю. Кроме того, в самом полупериоде выходного напряжения уровень высокочастотных составляющих изменяется от максимального значения в начальной и конечной стадии до минимального в середине.

Характерные осциллограммы тока утечки, снятые в распределительной сети суммарной емкостью кабелей 1 мкФ на фазу при выходной частоте преобразователя 5 и 70 Гц приведены на рисунке 10 и подтверждают вышеизложенные расчеты, из которых видно, что величина тока утечки, обусловленная высокочастотной составляющей, превышает по меньшей мере в 5 раз ток основной гармоники, причем при частоте 70 Гц относительное значение высокочастотной составляющей значительно ниже, чем при частоте 5 Гц.

Приведенные расчеты и обоснования являются исходными для проектирования защит от утечек тока на землю для распределительных сетей, содержащих силовые полупроводниковые преобразователи частоты, которые обязательно должны учитывать наличие напряжения смещения нейтрали сети основной гармоники, регулируемой частоты и высокочастотной составляющей, обусловленной работой ШИМ преобразователя частоты.

Таблица 3
Параметр	Значение при емкости сети С, мкФ на фазу
	0,2	0,4	0,6	0,8	1
1. С неизменной частотой (сопротивления полюсов равные)
Ток утечки при частоте 50 Гц Iу(1), А	0,109	0,208	0,291	0,356	0,406
Ток утечки Iу, А	0,204	0,275	0,344	0,401	0,446
Iу/Iу(1)	1,868	1,321	1,181	1,126	1,1
2. С неизменной частотой (сопротивления полюсов не равные)
Ток утечки при частоте 50 Гц Iу(1), A	0,109	0,208	0,291	0,356	0,406
Ток утечки Iу, А	0,308	0,364	0,419	0,468	0,507
Iу/Iу(1)	2,812	1,748	1,441	1,314	1,25
3. Постоянного тока при утечке 1 кОм
Сопротивление rn, кОм	30	90	150	250	500
Ток утечки Iу, А	0,051	0,018	0,011	0,007	0,004
4. С изменяющейся частотой 50 Гц
Ток утечки при частоте 50 Гц Iу(1), A	0,111	0,21	0,293	0,358	0,408
Ток утечки Iу, А	0,314	0,368	0,422	0,47	0,509
Iу/Iу(1)	2,83	1,749	1,44	1,312	1,248
5. С изменяющейся частотой 5 Гц
Ток утечки при частоте 50 Гц Iу(1), A	0,013	0,024	0,035	0,046	0,057
Ток утечки Iу, А	0,113	0,148	0,224	0,249	0,266
Iу/Iу(1)	8,966	7,75	6,448	5,443	4,686
6. С изменяющейся частотой 70 Гц
Ток утечки при частоте 50 Гц Iу(1), A	0,172	0,308	0,4	0,459	0,496
Ток утечки Iу, А	0,346	0,431	0,5	0,549	0,581
Iу/Iу(1)	2	1,402	1,254	1,2	1,17

Одним из основных направлений обеспечения безопасности комбинированных сетей является повышение быстродействия аппарата с учетом того, что аппарат защиты будет одновременно воздействовать на автоматический выключатель передвижной подстанции, работу преобразователя частоты и отключать кабельную линию, отходящую от преобразователя частоты при вынесенном варианте включения.

Рисунок 10 - Осциллограммы тока утечки на землю в распределительной сети при частоте выходного напряжения 5 Гц (а) и 70 Гц (б)

Данная структура взаимодействия аппарата защиты с остальными составляющими элементами распределительной сети, содержащей силовые полупроводниковые приборы, позволит обеспечить требуемую безопасность при ее эксплуатации.

На базе полученных результатов разработана система комплексной защиты от утечек тока на землю для распределительных сетей, содержащих силовые полупроводниковые преобразователи частоты, блочно-структурная схема которой приведена на рисунке 11.

Система содержит блок контроля сопротивления изоляции сети 1; блок компенсации емкостных составляющих токов утечки 2; блок защитного заземления фазы сети с поврежденной изоляцией 3; защитный коммутационный аппарат 4, силовые контакты которого включены между трансформатором 5 и защищаемой сетью; силовые полупроводниковые элементы 6, включенные в сеть через коммутационный аппарат 7; блок принудительного отключения 8 и короткозамыкатель 9, подключенный к выходу силовых полупроводниковых приборов; блок контроля сопротивления звена постоянного тока 10.

Рисунок 11 - Блочно-структурная схема системы комплексной защиты

Принцип работы защиты заключается в следующем.

При высоком сопротивлении изоляции сети блок 1 не срабатывает и не выдает команду на отключение коммутационного аппарата 4, блока принудительного отключения 8, силовых полупроводниковых элементов 6 и второго коммутационного аппарата 7. Коммутационные аппараты 4 и 7 включены, напряжение подается на сеть, в том числе и на силовые полупроводниковые элементы.

В случае снижения сопротивления изоляции сети к силовым полупроводниковым элементам блок 1 срабатывает и замыкает свои контакты в контуре устройства отключения коммутационного аппарата 4 и в контуре блока принудительного отключения 8 силовых полупроводниковых приборов. При этом блок компенсации емкостных составляющих токов утечки 2 выполняет свои функции после отключения коммутационного аппарата 4, а блок защитного заземления фазы сети с поврежденной изоляцией 3 выбирает поврежденную фазу и шунтирует ее через небольшое сопротивление, обеспечивая тем самым безопасность сети в аварийном режиме.

При возникновении утечки тока на землю в сети после силовых полупроводниковых элементов блок 1 срабатывает и выдает команду на отключение коммутационного аппарата 4 и включение блока 8. Блок принудительного отключения 8 выдает быстродействующую команду на запирание силовых полупроводниковых элементов 6 и коммутационный аппарат 7. Последний срабатывает и включает короткозамыкатель 9, который импульсно, на время до 1 с, замыкает все три фазы между собой, снимая тем самым ЭДС выбега электродвигателя. Сеть при этом разбивается на два участка и блок 3 при этом не срабатывает, а блок 2 выполняет свои функции в обычном штатном режиме. В этом аварийном режиме сети также обеспечивается полная безопасность ее эксплуатации.

В случае снижения сопротивления изоляции в звене постоянного тока в силовых полупроводниковых элементах 6 возможен режим блокирования работы блока 1 через появление напряжения между фазой сети и землей, направленной встречно измерительному напряжению аппарата. Для предупреждения этого предусмотрен блок контроля сопротивления изоляции звена постоянного тока 10, который при снижении ниже допустимого уровня отключает и блокирует коммутационный аппарат 7.

Важным отличием устройства является то, что включение блока 3 выполняется после отключения коммутационного аппарата, который включает силовые полупроводниковые приборы.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает безопасность эксплуатации электрических сетей, которые содержат силовые полупроводниковые приборы, так как снижает величину кратковременного тока утечки через человека до необходимой величины, обусловленной соответствующими стандартами.



Рисунок 12 - Общий вид аппарата АЗУР-4ПП

Приведенное устройство реализовано в виде аппарата защиты от утечек тока на землю типа АЗУР-4ПП, общий вид которого приведен на рисунке 12 и применяется в угольных шахтах для защиты комбинированных распределительных сетей напряжением 1140 В, питающих комбайны с вынесенной системой подачи типа УКД-300. Такая система защиты безотказно эксплуатируется на шахте “Павлоградская” ГП “Павлоградуголь” более года и полностью подтвердила надежность и работоспособность.



Выводы

1. Обоснована методика определения токов утечки в комбинированных распределительных сетях с силовыми преобразователями частоты, учитывающая как параметры сети, так и влияние преобразователя на протекание процессов. Показано, что определяющее влияние на значение тока однофазной утечки оказывает высокочастотная составляющая напряжения смещения нейтрали сети.

2. На базе проведенных расчетов и обоснований разработана система защиты от утечек тока на землю в комбинированных распределительных сетях, содержащих силовые полупроводниковые преобразователи частоты, которая учитывает наличие напряжения смещения нейтрали сети основной гармоники, регулируемой частоты и высокочастотной составляющей, обусловленной работой ШИМ преобразователя частоты.

3. Аппарат АЗУР-4ПП позволяет работу как в составе трансформаторных подстанций, так и самостоятельно.

4. Созданный аппарат защиты комбинированных сетей АЗУР-4ПП позволяет наряду с обеспечением безопасной эксплуатации существенно снизить стоимость системы электроснабжения комбайна за счет исключения дополнительной подстанции.



Список литературы

1. Колосюк В.П. Защитное отключение рудничных электроустановок. - М.: Недра, 1980. - 334 с.

2. Киампо Е.М., Коровкин В.А. Токи утечки в комбинированной электрической сети горных машин // Изв. вузов. Горный журнал. - 1986. - N2. - С. 97-99.

3. Белошистов А.И., Савицкий В.Н. Проблемы защиты от утечек тока на землю распределительных сетей угольных шахт, содержащих силовые полупроводниковые элементы // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. - Донецк: ООО “Юго-Восток, Лтд”, 2004. - С. 78-83.

4. Колосюк В.П., Товстик Ю.В. Токи утечки на землю в системе электроснабжения комбайнов с регулируемым приводом // Уголь Украины. - 2005. - N6. - С. 35-39.

5. Щуцкий В.И., Савицкий В.Н. Эквивалентные схемы распределительных сетей при однофазных замыканиях на землю // Применение напряжения 10 кВ на горных предприятиях: Сб. науч. тр. ВНИИВЭ Донецк. - 1985. - С. 71-81.

6. Бессонов П.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1973. - 752 с.

Размещено на Allbest.ru

...